Рассчитать и спроектировать абсорбер с ситчатыми тарелками

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ                 3

Техническое задание             4

1 Описание технологической схемы          5

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ            8

3. Гидравдический РАСЧЁТ            12

4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ             14

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ         19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ               21

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ         22

ВВЕДЕНИЕ

 

Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очистка газов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Как правило, физическая абсорбция не сопровождается существенными тепловыми эффектами. Еcли при этом начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую. С этого наиболее простого случая начнем рассмотрение расчета процесса абсорбции.

Основная сложность при проектировании абсорберов заключается в правильном выборе расчетных закономерностей для определения кинетических коэффициентов из большого числа различных, порой противоречивых, зависимостей, представленных в технической литературе. Расчеты по этим уравнениям, обычно справедливым для частных случаев, приводят зачастую к различающимся, а иногда к заведомо неверным результатам. Рекомендуемые здесь уравнения выбраны после тщательного анализа и сравнительных расчетов в широком интервале переменных, проверки адекватности расчетных данных опытом, полученным на реальных системах.

В данной главе приведены примеры расчетов насадочного и тарельчатого абсорберов по основному кинетическому уравнению массопередачи. Другие методы рассмотрены в гл. 6 на примере расчета ректификационных колонных аппараты. 

Техническое задание

 

Рассчитать и спроектировать абсорбер с ситчатыми тарелками, работающие при атмосферном давлении для поглощения паров ацетона из паровоздушной смеси водой при t = 20°C. Количество паровоздушной смеси, подаваемой в абсорбер 3000 м³/ч. Содержание ацетона в паровоздушной смеси 9% об. В абсорбере улавливается 95% ацетона. Начальная концентрация ацетона в воде . Конечная концентрация ацетона в воде кмоль ацетона/кмоль воды. Абсорбер работает противотоком.

 

1 Описание технологической схемы

 

Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в барботажный абсорбер А с ситчатыми тарелками. В верхнюю часть абсорбера центробежным насосом Н подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздушная смесь. При взаимодействии фаз аммиак растворяется в воде и воздух очищается. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

 

Рисунок 1.1 Технологическая схема абсорбции

Так как водный раствор ацетона при температуре 20 С° является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600°С [4с59].

 

2 Технологический расчет

2.1 Определение массы поглощаемого  вещества и расхода поглотителя  пары ацетона – воздух- вода.

кг/кмоль, кг/кмоль, кг/кмоль

Относительная массовая концентрация паров ацетона в воздухе начальная.

                                   [1c. 190]

кг паров ацетона/кг воздуха

Относительная массовая концентрация паров ацетона в воздухе конечная.

  паров ацетона /кг воздуха

кг паров ацетона/кг воздуха

 

2.2 Построение рабочей линии

Относительная массовая концентрация паров ацетона в воде начальная кг паров ацетона/кг воды

Относительная массовая концентрация паров ацетона в воде конечная кг паров ацетона/кг воды

Так как рабочая линия является прямой линией, то для ее построения необходимо знать координаты двух её точек.

	0	0,0045
	0,022	0,099

Коэффициент распределения

Уравнение линии равновесия

Расход газовой смеси:

Из уравнения состояния находим среднюю плотность воздуха при нормальных условиях:

,

Пересчитываем расход газа по условиям в абсорбере:

кг/с.

 

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

,

кг/с.

Расход поглотителя (воды):

кг/с.

Удельный расход поглотителя:

кг/кг

2.3 Расчет движущей силы процесса:

Определяем движущую силу внизу аппарата:

 кмоль ацетона/кмоль воздуха,

Определяем движущую силу вверху аппарата:

 кмоль ацетона/кмоль воздуха,

Средняя движущая сила определится:

 кмоль ацетона/кмоль воздуха,

2.4 Расчет скорости газа и  диаметра абсорбера.

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны высчитывается по формуле:

где - плотность воды при температуре 20°С, кг/м³

м/с

Диаметр аппарата будет равен:

м

Принимаем м

Уточнение скорости газовой смеси в аппарате:

Площадь поперечного сечения

  [1c. 197]

Характеристика стандартной тарелки:

Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м2;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м2;

Периметр слива, Lc – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

 

2.5 Расчет высоты  абсорбера

2.5.1 Высота светлого  слоя жидкости:

h0 = 0,787q0,2hпер0,56wгm[1 – 0,31exp(-0,11μx)]

где hпер = 0,04 м – высота переливной перегородки;

q – линейная плотность орошения;

μх = 1,0 мПа∙с – вязкость воды при 20 ºС [1c,537]

m = 0,05 – 4,6hпер = 0,05 – 4,6∙0,04 = -0,134

q = Q/Lc = 0,0086/0,8 =  0,0107 м3/м∙с

Q = L/ρж = 8,55/998 = 0,0086 м3/с – объемный расход воды

h0 = 0,787∙0,01070,2∙0,040,56∙1,62-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,04 м

2.5.2 Плотность  орошения:

U = L/ρжSк

где Sк – площадь колонны; 

U = 8,55/998∙0,5 = 0,0171 м3/м2∙с

Газосодержание барботажного слоя:

ε = Fr0,5/(1+Fr0,5)

где Fr – критери Фруда:

Fr = w2/gh0 = 1,622/9,81∙0,04 =6,9

ε = 6,90,5/(1+6,90,5) = 0,72.

2.5.3 Вязкость газовой  смеси:

Динамический коэффициент вязкости паров ацетона при 0 градусов

[2. c.566 рис.5]

Постоянная сатерленда

С=541,5

Динамический коэффициент вязкости паров ацетона при t

[2. c.567 рис.6]

Динамический коэффициент вязкости воздуха при 0 градусов

[2. c.566 рис.5]

Постоянная сатерленда

С=541,5

Динамический коэффициент вязкости воздуха при t

[2. c.567 рис.6]

Динамический коэффициент вязкости смеси

                                      [1c. 193]

2.5.4 Расчет коэффициентов массоотдачи.

Коэффициенты молекулярной диффузии в газовой фазе

  [1c. 200]

Определяем коэффициент массопередачи в газовой фазе

м/с.

Выразим коэффициент массоотдачи в выбранной размерности

[1c. 200]

Определение коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе

Параметр ассоциации молекул растворителя

вода

Мольные объемы газов

 аммиак  [2 с 277 т. 6.3]

Коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой фазе

Определяем коэффициент массопередачи в жидкой фазе

м/с.

Выразим коэффициент массоотдачи в выбранной размерности

  [1c. 200]

Коэффициент массопередачи по газовой фазе

[1c. 200]

Определение поверхности массопередачи и высоты насадки

Поверхность массопередачи

м²  [1c. 201]

Рабочая площадь тарелки:

f = φ · 0,785 · d2 = 0,1∙0,785∙0,82 = 0,05 м2

где φ = 10% - доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 1,78/0,05 = 36 шт

Высота колонны:

Н = Нт(n-1)+Z1+Z2

где Нт = 0,5 м – расстояние между тарелками;

Z1 = 1,6 м – высота сепарационного пространства;

Z2 = 2,8 м – высота кубового пространства.

Н = 0,5(36-1)+1,6+2,8 = 21,9 м

 

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ КОЛОННЫ

 

3.1 Гидравлическое  сопротивление сухой тарелки

 

ΔРс = ζw2ρг/2φ2

 

где ζ = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки [2c.44];

φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны.

ΔРс = 1,5∙1,622∙1,2/2∙0,12 = 196,8 Па

3.2 Гидравлическое  сопротивление обусловленное силами  поверхностного натяжения:

ΔРσ = 4σ/dэ = 4∙0,07/0,005 = 56 Па

где σ = 0,07 Н/м – поверхностное натяжение воды;

dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

3.3 Гидравлическое  сопротивление газожидкостного  слоя:

ΔРсл = ρж·g·h0 = 998∙9,8∙0,04 = 391,2 Па

3.4 Полное сопротивление  тарелки:

ΔРт = ΔРс+ΔРσ+ΔРсл = 196,8+56+391,2 = 644 Па.

3.5 Полное сопротивление  колонны:

ΔР = 644∙36 = 23184 Па.

3.6 Подбор газодувки и насоса для подачи воды.

Объемный расход газовой смеси на входе в аппарат: V = 0,833 м/с.

По полному сопротивлению колонны и объемному расходу газовой смеси выбираем газодувку ТВ-80-1,2 [3c.42], для которой V=0,833 м3/с, а  ΔР = 20000 Па.

Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = Lин/ρж = 8,55/998 = 0,0086 м3/с.

Воду необходимо подать на высоту равную высоте колонны, следовательно Н > 20 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос  Х20/31 [3c.38], для которого Q = 0,01 м3/с и Н=25 м.

 

4 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

 

4.1 Толщина обечайки:

= = 0,003 м,

где sд = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение [3c 394],

j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,

Ск = 0,001 м – поправка на коррозию.

Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки d = 4 мм.

 

4.2 Расчет днища.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25],  толщина стенки днища d1 =d = 4 мм.

 

Рисунок 4.1 – Днище эллиптическое

Масса днища mд = 74,3 кг.

Объем днища Vд = 0,162 м3.

 

4.3 Расчет фланцевого  соединения

Расчёт фланцевого соединения заключается в определении диаметра болтов, их количества и размеров элементов фланцев.

Основной исходной величиной при расчёте болтов является расчётное растягивающее усилие в них. При рабочих условиях расчётное растягивающее усилие в болтах определяем по формуле:

 

где - средний диаметр уплотнения (прокладки), м;

РП – расчётная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности, МН;

р – рабочее давление, МПа.

Расчётную силу сжатия прокладки прямоугольного сечения определяем по формуле

где b – эффективная ширина прокладки (причём b = b0, если b0 ≤ 1см; b = , если b0 > 1;

b0 –  действительная  ширина прокладки (в м), определяемая конструкцией уплотнительной поверхности, 

b0 = 2 мм,

b = 1,4;

κ – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки (для прокладки из паронита  принимаем κ = 2,5).

 МН

 МН

Диаметр болтовой окружности можно приближённо определить по формуле:

где  DB – внутренний диаметр фланца, обычно равный наружному диаметру аппарата, м.

 м

Расчётный диаметр болтов определяем по формуле:

и затем округляем в меньшую сторону до  ближайшего стандартного размера (Dг – наружный диаметр сварного шва на фланце, м).